靜電紡動物蛋白納米纖維研究進展

呂婷婷， 安 瑛， 李好義， 劉宇健， 焦志偉

(北京化工大學(xué) 機電工程學(xué)院, 北京 100029)

天然動物蛋白纖維中主要的蛋白質(zhì)來源包括動物毛、蠶絲、雞蛋等[1]，是最早加以利用的纖維，現(xiàn)在已經(jīng)是紡織業(yè)的原料之一。蛋白纖維雖然性能優(yōu)異，但每年的產(chǎn)量非常有限，蛋白質(zhì)資源的再生利用已經(jīng)成為研究熱門[2]。動物蛋白分子鏈通過氫鍵與共價鍵連接在一起，高度有序的結(jié)構(gòu)使得動物蛋白表現(xiàn)出較高的力學(xué)強度[3]。此外蛋白質(zhì)具有優(yōu)異的生物可降解性、高滲透性以及良好的生物相容性等優(yōu)勢[4]。

靜電紡動物蛋白納米纖維是從天然動物中提煉出來的蛋白質(zhì)溶液[5]，經(jīng)溶液靜電紡絲制成的超細纖維。與其他納米纖維制造技術(shù)(如自組裝、模板合成、相分離)相比具有下列優(yōu)勢：1)設(shè)備簡單；2)可制備連續(xù)納米纖維，可控制纖維尺寸、表面、取向以及孔隙率等；3)制備出來的纖維膜具有相對較高的比表面積與體積比；4)在靜電紡絲過程中可同時進行纖維的功能改性等[6]。通過靜電紡絲制備的動物蛋白納米纖維具有比孔隙率高、表面積大、生物相容性高等優(yōu)點，在生物及基因工程、高效過濾、電池組件等領(lǐng)域有非常廣闊的應(yīng)用前景。利用靜電紡絲技術(shù)制備蛋白納米纖維已成為國內(nèi)外研究者關(guān)注的熱點問題。

本文對國內(nèi)外近期靜電紡動物蛋白纖維的研究進展進行了綜述，總結(jié)了4種靜電紡動物蛋白的溶劑選擇方式及其優(yōu)劣；討論了靜電紡動物蛋白纖維的改性方法和應(yīng)用領(lǐng)域，以期對未來動物蛋白納米纖維的發(fā)展提供一定指導(dǎo)。

1 靜電紡絲制備動物蛋白納米纖維

靜電紡絲技術(shù)是在高壓靜電場力的牽引作用下，拉伸聚合物形成射流制備納米級纖維的方法，一般制備的纖維直徑在幾十納米到幾微米之間。靜電紡絲裝置主要由高壓靜電發(fā)生器、供料裝置、噴射裝置、接收裝置組成[7]，其裝置示意圖[8]如圖1所示。

圖1 靜電紡絲裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrospinning device

動物蛋白質(zhì)的來源非常廣泛，且具有優(yōu)異的生物相容性，可應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域。通過靜電紡絲法制備蛋白納米纖維膜具有操作簡單、纖維直徑小、膜比表面積高等優(yōu)點。但由于進行靜電紡的蛋白質(zhì)溶液的分子量較小，單一的動物蛋白質(zhì)作為靜電紡原料得到的納米纖維膜力學(xué)性能不夠優(yōu)良；另外在靜電紡絲過程中會使用大量的有機溶劑，易引起蛋白質(zhì)的變性，且一般具有毒性。這些缺點極大地限制了蛋白納米纖維膜的應(yīng)用領(lǐng)域。

1.1 動物蛋白靜電紡絲中溶劑的選擇

在溶液靜電紡絲過程中，首先要求溶質(zhì)可在溶劑中溶解；其次，由于溶質(zhì)需在溶劑揮發(fā)后固化成纖，要求所使用的溶劑具有良好的揮發(fā)性、低蒸汽壓力、合適的沸點等[9]。溶劑種類對紡絲過程有著重要的影響，目前使用較多的有乙醇、氯仿、二氯甲烷等[10]。一般有機溶劑具有毒性，殘留的有機溶劑對蛋白纖維膜在生物工程領(lǐng)域的應(yīng)用有一定負面影響，因此，在蛋白靜電紡絲過程中，選取合適的溶劑具有重要的意義。

1.1.1 無毒環(huán)境友好型溶劑

膠原蛋白在生物相容性、生物活性、生物可降解性方面表現(xiàn)非常好[11]，其生物活性是建立在內(nèi)部三螺旋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上[12]。近年來，膠原蛋白靜電紡纖維在生物醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用越來越多。在膠原蛋白纖維的制備過程中，通常選取六氟異丙醇(HFIP)作為溶劑[13]。HFIP可溶解大部分聚合物，是一種理想的有機溶劑[14]，但HFIP與蛋白質(zhì)相結(jié)合會引起蛋白質(zhì)的變性[15]，且HFIP具有強烈的毒性，會對人體造成傷害。為解決這些問題，Chakrapani等[16]采用無毒性對環(huán)境友好的醋酸為溶劑，對膠原蛋白進行靜電紡絲，制備出直徑為100～200 nm、最佳孔隙率為60%的納米纖維；Ting等[17]對天然膠原蛋白與以醋酸為溶劑紡制的膠原蛋白纖維進行了光譜測試認為，雖然醋酸無毒性，對環(huán)境友好，但醋酸/膠原蛋白溶液體系會造成膠原蛋白中70%的三螺旋結(jié)構(gòu)破壞，極大地影響了蛋白質(zhì)的生物活性。

1.1.2 離子液

為解決蛋白質(zhì)活性被破壞的問題，一些研究者嘗試使用離子液代替有機溶劑。離子液具有良好的溶解性[18]。Hu等[19]采用離子液體1-乙基-3甲基咪唑乙酸鹽([EMIM][Ac])作為溶劑，建立了一種新的蛋白溶液體系。在此溶液體系中，引入了一系列鈉鹽，使蛋白的溶解度有了顯著提高，在45 ℃溫度下，體系中蛋白的溶解度可達到11%，且在35 ℃溫度下，膠原蛋白95%的三螺旋結(jié)構(gòu)沒有被破壞。使用離子液代替有機溶劑雖然可以保護蛋白質(zhì)的活性，但離子液價格昂貴，生產(chǎn)成本較高。

1.1.3 同軸靜電紡隔離有機溶劑

一些研究人員嘗試使用核-殼溶液同軸靜電紡絲的方法以保護蛋白質(zhì)不受有機溶劑的影響。同軸靜電紡絲技術(shù)是將核溶液與殼溶液分別裝在不同的注射器中，處于高壓電場的牽引拉伸作用下，外層液體流出后與內(nèi)層液體結(jié)合，由于內(nèi)外層液體結(jié)合時間較短，在溶液固化之前，內(nèi)外層液體不會混合在一起[20]，其示意圖[21]如圖2所示。Sandeep等[22]將蛋白質(zhì)水溶液作為核溶液，三氯甲烷和二甲基甲酰胺溶液(體積比為4∶1)作為殼溶液，進行同軸靜電紡絲，并與將蛋白質(zhì)直接溶解到三氯甲烷與二甲基甲酰胺溶液中進行靜電紡絲相對比。實驗結(jié)果表明，同軸靜電紡絲所得纖維中蛋白活性保留為82%，直接將蛋白質(zhì)溶解在有機溶劑中所制得的纖維的蛋白活性保留為36%。蛋白可通過同軸靜電紡絲的方法進行紡絲，且可保護其免受有機溶劑的不利影響。

圖2 同軸靜電紡絲裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of coaxial electrospinning

1.1.4 水溶性聚合物

近年來，一些水溶性聚合物，例如聚氧化乙烯(PEO)、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮等，以水為溶劑來溶解聚合物。Xi等[23]將可溶性蛋殼膜(SEP) 蛋白與PEO混合進行靜電紡絲，由于單獨的SEP溶液分子量低，溶液黏度低，難以進行靜電紡絲，PEO與SEP混合可提高溶液黏度。Feng等[24]成功制備了SEP/PEO纖維，纖維直徑在0.3～20 μm 之間，且紡絲溶液中未使用有毒溶劑。以水溶性聚合物代替有機溶劑進行蛋白靜電紡絲，有效阻止了蛋白的變性，無有毒溶劑殘留，更加有利于蛋白納米纖維在生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用。表1示出幾種溶劑選擇方法的優(yōu)缺點。

表1 靜電紡絲溶劑選擇的優(yōu)劣對比Tab.1 Comparison of solvent selection in electrospinning

1.2 靜電紡動物蛋白交聯(lián)改性

通過靜電紡絲制備純蛋白纖維，由于蛋白質(zhì)的溶解度不足，會對材料的可紡性造成很大影響，并且制得的納米纖維膜力學(xué)強度較差。交聯(lián)是聚合物改性的常用方法，交聯(lián)改性可顯著改善聚合物的力學(xué)性能[25]，因此，一些研究者對蛋白交聯(lián)改性后進行靜電紡絲，期望提高蛋白纖維的力學(xué)性能。

Choi等[26]將質(zhì)量分數(shù)為10%的乙二醛溶液作為交聯(lián)劑加入到毛發(fā)角蛋白/聚乙烯醇(PVA)的共混溶液中，成功制備了蛋白納米纖維膜，并對交聯(lián)改性前后纖維膜的力學(xué)性能進行對比。結(jié)果表明：未經(jīng)交聯(lián)改性的纖維膜拉伸強度為10.7 MPa，交聯(lián)改性處理的纖維膜拉伸強度為19.0 MPa?？梢钥闯?，交聯(lián)改性后制備的蛋白納米纖維膜的力學(xué)性能顯著提高。

1.3 靜電紡動物蛋白共混改性

單一蛋白質(zhì)組分溶液靜電紡絲制備納米纖維膜時，由于蛋白溶液相對分子質(zhì)量較小，其可紡性較低且制備的纖維膜的力學(xué)性能較差。將蛋白質(zhì)與高分子聚合物共混后進行靜電紡絲，可顯著改善納米纖維膜的力學(xué)性能[27]。Lin等[28]將膠原蛋白與聚乙烯醇(PVA)共混后通過靜電紡絲制備納米纖維膜，研究結(jié)果表明，PVA的加入顯著提高了納米纖維的彈性模量、斷裂應(yīng)變、極限拉伸強度。李帥[29]對羊毛角蛋白/PVA共混納米纖維膜的力學(xué)性能進行研究，結(jié)果表明，羊毛角蛋白與PVA 的質(zhì)量比為1∶9時的斷裂強度約為4∶6時的7倍，隨著PVA含量的增加，共混纖維膜的力學(xué)性能隨之增加。

2 在生物醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用

2.1 膠原蛋白納米纖維的應(yīng)用

膠原是細胞外基質(zhì)的主要成分[30]，膠原蛋白是哺乳動物體內(nèi)含量最多的蛋白質(zhì)[31]，其具有良好的生物相容性、可降解性以及無免疫原性[32]，在生物工程以及醫(yī)療方面展現(xiàn)了重要的潛在價值。膠原蛋白類型較多，常見的包括Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅴ型和Ⅺ型膠原蛋白，其中Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型主要見于動物。用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域研究的動物膠原蛋白主要來源[33]如表2所示。

表2 動物膠原蛋白主要來源Tab.2 Major sources of animal collagen

膠原蛋白納米纖維在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括傷口愈合[34-36]、組織工程[37-38]、神經(jīng)再生[39]、藥物傳遞[40]等方面。

2.1.1 促進傷口愈合

膠原蛋白本身來自于細胞基質(zhì)，因此，被認為是有利于幫助傷口愈合的蛋白質(zhì)[41]。近年來，一些研究者嘗試將膠原蛋白納米纖維應(yīng)用于傷口愈合，并取得了一些進展。Venugopal等[35]將膠原蛋白與可生物降解的聚己內(nèi)酯(PCL)共混后，通過靜電紡絲制備納米纖維膜，具有高度多孔性的膠原蛋白/PCL納米纖維膜適于細胞的附著、生長、增殖，并形成真皮替代物來幫助傷口愈合。蔡旺[36]利用藍鯊Ⅱ型膠原蛋白與殼聚糖為主要原料，使用低毒性的乙酸水溶劑體系，在溶液質(zhì)量濃度為0.07 g/mL時成功紡制了復(fù)合納米纖維，應(yīng)用于傷口敷料，可促使創(chuàng)面愈合。

2.1.2 組織工程

膠原蛋白廣泛存在于人體內(nèi)，膠原是人體組織再生的重要蛋白聚合物[42]，因此，膠原蛋白納米纖維在組織支架制備領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[43]。Mukherjee等[38]依據(jù)生物心室組織結(jié)構(gòu)特點，以(594±56) nm的納米纖維為模板，制備了聚乳酸、共聚己內(nèi)酯/膠原蛋白支架材料，并與純?nèi)斯ず铣傻木廴樗?、共聚己?nèi)酯支架進行對比。結(jié)果表明，聚乳酸、共聚己內(nèi)酯/膠原蛋白支架更有利于心肌細胞的附著和生長，聚乳酸、共聚己內(nèi)酯/膠原蛋白支架更加接近天然心臟組織。Yu等[39]采用靜電紡絲法制備了膠原/PCL納米纖維，并探究了其在鼠體內(nèi)作為神經(jīng)再生引導(dǎo)底物的應(yīng)用情況。研究結(jié)果表明，膠原/PCL纖維由于具有柔韌、親水的特性，更有利于促進神經(jīng)細胞的黏附、生長和增殖。

2.1.3 藥物傳遞

研究人員發(fā)現(xiàn)膠原蛋白添加量為26.7%的玉米醇溶蛋白(Zein)/鼠尾I型膠原納米纖維膜，成功模擬了天然細胞外基質(zhì)，比表面積是Zein平板膜的9～10倍，為細胞提供了更大的生存空間，將復(fù)合纖維膜用于藥物傳遞，隨著纖維膜的生物降解可達到非常好的藥物緩釋效果，避免了藥物突釋的現(xiàn)象[40]。

2.2 絲素蛋白納米纖維的應(yīng)用

絲素蛋白是從蠶絲中提取的天然高分子纖維蛋白，憑借其優(yōu)良的力學(xué)性能與生物相容性，在生物醫(yī)療領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

2.2.1 絲素蛋白在面膜制品中的應(yīng)用

絲素蛋白的成分與人的面部肌膚成分相似，絲素蛋白應(yīng)用于面膜中可有效補充面部肌膚缺失的營養(yǎng)成分。高寧蕭等[44]將絲素蛋白、膠原蛋白肽、聚乙烯吡咯烷酮溶解于甲酸溶液中進行靜電紡絲，制得了纖維直徑均勻、表面光滑、保濕性能良好的復(fù)合纖維膜。但該方法中使用了有毒溶劑甲酸，纖維膜中殘留的有毒溶劑會對人體造成傷害。

2.2.2 絲素蛋白在組織工程中的應(yīng)用

為克服有毒溶劑對絲素纖維在生物醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用的影響，一些研究人員嘗試以水作為溶劑進行絲素蛋白靜電紡絲，這種方法具有價格便宜、無污染等優(yōu)點，在組織工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。 Rajabi等[45]以水作為溶劑，制備了絲素蛋白/聚氧化乙烯(PEO) 納米纖維支架，實驗結(jié)果表明絲素蛋白/聚氧化乙烯支架具有良好的親水性，且可有效地促進細胞增殖。

3 總結(jié)與展望

近年來，靜電紡絲制備蛋白納米纖維取得了一定的進展，然而仍存在一些問題亟待解決。

1)靜電紡絲過程中溶劑的選擇。研究者已通過一些方法在靜電紡絲過程中使蛋白質(zhì)不受有毒溶劑的影響，但這些方法存在靜電紡過程復(fù)雜等缺陷，因此，尋找操作簡便、綠色友好的方法是進一步研究的重點。

2)靜電紡蛋白納米纖維膜的力學(xué)性能。通過與高分子質(zhì)量聚合物共混等方法可提高蛋白纖維膜的力學(xué)性能，但仍不能滿足實際應(yīng)用需要。靜電紡絲制備蛋白納米纖維膜的力學(xué)性能是制約其應(yīng)用的一大問題，探究提高蛋白納米纖維力學(xué)性能的方法對于拓展蛋白纖維的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的意義。

3)通過靜電紡絲制備蛋白納米纖維膜主要是應(yīng)用于生物工程領(lǐng)域。蛋白纖維作為組織支架具有明顯的優(yōu)勢，但目前仍存在一些挑戰(zhàn)，例如支架的生物相容性、力學(xué)性能以及尺寸結(jié)構(gòu)等。這些挑戰(zhàn)仍需要生物工程研究人員進行突破，另外，蛋白纖維在過濾、傳感器件等領(lǐng)域應(yīng)用的研究還有待加強。